Le comportement universel est une propriété centrale des transitions de phase, visible par exemple dans les aimants qui ne sont plus magnétiques au-dessus d’une certaine température. Une équipe de chercheurs de Kaiserslautern, Berlin et Hainan, Chine, a réussi pour la première fois à observer un tel comportement universel dans le développement temporel d'un système quantique ouvert, un seul atome de césium dans un bain d'atomes de rubidium.

Cette découverte aide à comprendre comment les systèmes quantiques atteignent l’équilibre. Cela intéresse par exemple le développement des technologies quantiques. L'étude a été publiée dans Nature Communications .

Les transitions de phase en chimie et en physique sont des changements dans l'état d'une substance, par exemple le passage d'une phase liquide à une phase gazeuse, lorsqu'un paramètre externe tel que la température ou la pression est modifié.

"Les aimants en sont un bon exemple", déclare le professeur Artur Widera, qui dirige l'unité Systèmes quantiques individuels à l'Université Kaiserslautern-Landau (RPTU).

"Les ferromagnétiques présentent une magnétisation spontanée sans champ magnétique externe, c'est-à-dire qu'ils sont intrinsèquement magnétiques, mais seulement en dessous d'une certaine température critique. Lorsque la température dépasse ce point, le système subit une transition de phase continue; au-dessus de cette température, le matériau n'est plus magnétique."

Dans une expérience, un comportement universel lors d'une transition de phase peut être spécifiquement induit en modifiant un paramètre tel que la pression, le magnétisme ou la température. La particularité est que ce comportement d'une grandeur physique "peut être décrit par quelques paramètres critiques", poursuit Widera, "qui sont à leur tour indépendants des détails du système considéré".

Ce comportement universel peut-il également être observé dans le monde quantique, c'est-à-dire aux niveaux atomique et subatomique ?

Dans la présente étude, l’équipe de recherche de Widera a placé des atomes de césium individuels dans un état quantique spécifique et les a immergés dans un gaz d’atomes de rubidium. Cette combinaison d'un système quantique unique (césium) interagissant avec le bain de rubidium est également appelée dans les milieux spécialisés un système quantique ouvert. Les atomes de césium et de rubidium ont été refroidis jusqu'à presque le zéro absolu.

"Contrairement aux observations habituelles, dans notre expérience, le temps était le paramètre qui devait atteindre un point critique, ou temps critique", explique le Dr Jens Nettersheim, chercheur associé à Widera et co-auteur de l'étude. Pour y parvenir, les chercheurs ont dû exciter le système quantique avec beaucoup d'énergie.

"Ce que nous avons maintenant observé, c'est que l'entropie augmente d'abord à mesure que le système se développe au fil du temps", ajoute Ling-Na Wu, physicien théoricien qui a accompagné le projet et est le premier auteur de l'étude.

Les chercheurs comprennent le terme entropie comme une mesure du désordre dans un système donné et donc aussi de la possibilité que des particules s'organisent dans un système, comme dans ce cas les atomes de césium et de rubidium. Plus le désordre dans un système est grand, plus l’entropie est élevée et vice versa. Wu dit :"Cela se produit jusqu'à ce que l'entropie atteigne sa valeur maximale, qui diminue ensuite à nouveau."

C'est précisément à ce moment-là, le moment critique, que s'installe le comportement universel du système quantique. André Eckardt, professeur de physique théorique à la Technische Universität (TU) de Berlin, qui a dirigé les travaux théoriques sur ce projet, explique :" À ce moment-là, ce qui suit se produit :au sens figuré, le système perd la mémoire de ce qui s'est passé auparavant ou de l'état initial exact. La dynamique ultérieure est universelle. En physique, cela signifie que le comportement peut être décrit avec une formule et un paramètre.

L’étude montre que dans les systèmes quantiques ouverts, il existe un comportement universel en ce qui concerne le temps. Avec ces travaux, les physiciens contribuent à une meilleure compréhension du fonctionnement fondamental de tels systèmes. "On ne sait pas encore exactement comment de tels systèmes quantiques ouverts libèrent de l'énergie, c'est-à-dire se détendent, et comment exactement l'équilibre thermodynamique est atteint", explique Widera.

De nombreuses applications techniques ne fonctionnent aujourd’hui que grâce à la technologie quantique qui y est intégrée. À l’avenir, il jouera un rôle de plus en plus important, par exemple dans les ordinateurs quantiques ou les capteurs quantiques. Il est donc important de comprendre ce qui se passe dans de tels systèmes et comment ils interagissent avec leur environnement.

L'équipe de Widera a réalisé les expériences au RPTU à Kaiserslautern; le travail théorique de cette étude a été fourni par le groupe de travail dirigé par le professeur Dr André Eckardt de l'Institut de physique théorique de la TU Berlin, avec également la participation de Ling-Na Wu de l'Université de Hainan en Chine.

Plus d'informations : Ling-Na Wu et al, Indication d'une mise à l'échelle critique dans le temps pendant la relaxation d'un système quantique ouvert, Nature Communications (2024). DOI :10.1038/s41467-024-46054-9

Fourni par la Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau